腦機接口，我們還能走多遠

2024年4月23日，浙江大學腦機調控臨床轉化研究中心神經疾病分中心發布了關于腦控漢字書寫的最新研究成果：志愿者只需想象正常的書寫過程，這個過程被運動神經元活動反映出來，通過對運動神經元信號的解析，獲得大腦中所想象的書寫軌跡，控制機械臂進行書寫，真正實現了侵入式腦機接口控制機械臂書寫漢字。

“意念寫字”的志愿者——張大伯今年76歲，是一名車禍后高位截癱患者。他于2020年參與了浙江大學的這個腦機接口研究項目，成為我國首例侵入式腦機接口臨床轉化研究項目的志愿者。臨床實驗研究中，他借助腦機接口設備，可通過意念完成喝水、進食、握手等手部大關節動作。這項研究成果填補了國內這一領域的空白。

浙江大學腦機調控臨床轉化研究中心神經疾病分中心主任、浙江大學醫學院附屬第二醫院神經外科張建民教授介紹，此次最新研究主要集中于腦控漢字書寫。

人腦是一臺結構精密的機器，其復雜程度令人驚訝。人類大腦皮質中有超過800億個神經元，每個神經元有1000個突觸，這些神經元和神經突觸每秒要處理約100兆比特的信息。嘗試以思維的速度實時測量、提取和解釋我們大腦中的所有信號的操作，之前只存在于《X戰警》《黑客帝國》等科幻影片中。現如今，將大腦連接到計算機并控制機械臂，或者將大腦產生的想法瞬時轉化為文本，已經不再是遙遠的夢想了。腦機接口（BCI）技術就是實現這一夢想的前沿技術。

腦機接口是大腦與外部設備（通常是計算機）之間的橋梁，通過腦機接口這一橋梁，可收集、分析來自大腦的電信號，并將其轉換為計算機可以理解和執行的指令，還可以通過外部信號來調節大腦活動。得益于神經科學、生物醫學、物理學和先進技術的結合，腦機接口技術可以改變一些患有嚴重疾病的人的生活和命運，還可應用于機器人技術、神經科學、游戲和計算等諸多領域。

腦機接口的歷史和發展

過去25年里，腦機接口技術有了迅速的發展和實際應用。例如，讓癱瘓患者僅憑想象就能操作計算機，讓中風喪失語言能力的患者恢復表達能力，讓肢體缺失或癱瘓患者重新獲得身體機能，或通過操縱機械臂來恢復行動能力等。

不過，目前大多數患者都需要進行侵入式腦部手術，例如將電極放置在大腦皮質中，甚至腦部更深處。這可能有引起出血或感染的風險。研究人員還不清楚電子植入物對腦組織的影響和潛在危害，無法保證其安全可靠性。事實上，人體腦部植入只有在所有其7af34b03c6b7db52db1b475faf70da2f6d595fa130f91ffdd880b113a8b309b8他治療都失敗的情況下才會進行。

幸運的是，以上諸問題可在物理原理和方法中找到解決方案，使BCI設備更安全、更耐用，得到更廣泛的應用。例如，物理學可用于改進腦機接口植入方式和植入材料；通過光子、磁場或超聲波與大腦互動，盡量減少甚至不再需要腦部手術，代之以非侵入性的、無線、便攜式或可穿戴式腦機接口設備。

從古至今，醫生和科學家都在試圖通過各種實驗了解腦電活動來進行醫學治療。早在1924年，一位名叫漢斯·伯格的德國醫生嘗試在患者頭骨上放置電極來記錄腦電活動。之后，經過不斷的實踐和實驗，腦電圖 （EEG） 技術被發明了。20世紀70年代，物理學家兼計算機科學家雅克·維達爾通過實驗，展示了與腦電圖設備連接的人通過意念移動計算機屏幕上的光標。

時至今日，腦電圖仍然是診斷癲癇等疾病的一種有價值的非侵入性工具，比如用來確定癲癇發作的原因和類型。同時，腦電圖還被廣泛應用于診斷其他腦部疾病，如癡呆、腦腫瘤和腦震蕩等。但腦電圖設備無法將腦電信號與特定大腦活動關聯起來。

現今，許多研究人員和臨床醫生在對患者進行治療時使用了定制的植入式Utah Array電極陣列。迄今，世界各地近40名不同程度的癱瘓患者安裝了這種電極。例如，2015年，因車禍造成胸部以下癱瘓的內森·科普蘭，在腦內植入電極陣列后，能夠用意念控制電腦、玩電子游戲和控制機械臂。這名患者是目前使用植入式電極時間最長的患者，但這種侵入性技術可造成的真正長期影響尚不完全清楚。

降低侵入性的多種技術開發

電極或任何其他大腦人工植入物的問題在于，它們有可能會引發免疫反應，導致附近組織發炎并留下疤痕。剛性電極和大腦軟組織之間的不匹配會加劇這種情況，進而降低電極的性能。

因此，物理學和材料學領域的研究人員正在努力尋找具有適合電極電性能、耐用并具有生物相容性的材料。候選材料包括柔軟有彈性的導電聚合物，以及極薄的電導體等，例如碳納米管和硅納米線。

降低侵入性的另一條技術路徑是，利用現有的醫療技術來降低手術風險。支架是一種微小的空心圓柱體，通常用于保持體內各種類型血管的開放性，如保持冠狀動脈暢通。安裝支架被認為是一種微創手術，可降低大腦植入手術的侵入性。例如支架電極陣列stentrodes，顧名思義是安裝在支架中的電極，可永久植入大腦血管中，檢測大腦信號并將其無線發送到計算機，癱瘓患者可通過安裝這種支架電極陣列操作計算機。

2019年，馬斯克的腦機接口公司Neuralink宣布開發的一種腦機接口，采用的是另一種不同的方法，通過手術機器人在大腦中植入1024個或更多的柔性電極。無論以何種形式，基于電極的腦機接口技術都將繼續發揮重要作用，因為它們具有很高的空間分辨率和快速響應能力。與此同時，非侵入性技術也在迅速發展。

波利娜·阿尼基娃是美國麻省理工學院一位跨學科科學家，研究領域涵蓋大腦研究、材料學和電子學，尤以材料學上的造詣最深。為實現最小的侵入性和最大的穩定性，她開發出了直徑為幾十微米的柔性多功能纖維，通過光子或向患者輸送藥物來刺激神經元，并記錄腦電反應。在進行嚙齒動物實驗后，阿尼基娃和同事們首次使用這種纖維來研究非人類靈長類動物的大腦功能。

此外，利用光子探測大腦以減少侵入性的研究也取得了進展。在電磁波譜中，波長為700～1400納米的近紅外光（NIR）可以穿過頭骨，并穿透至大腦幾厘米深處，而不會對大腦造成傷害，只要功率密度保持在每平方厘米毫瓦級即可。“功能性近紅外光譜”（fNIRS）技術，利用近紅外光測量大腦循環血液中血紅蛋白吸收光之后的變化。其中，脫氧血紅蛋白吸收近紅外光的方式與氧合血紅蛋白吸收近紅外光的方式不同，通過測量它們在特定部位的不同衰減程度，可以檢測大腦活動情況，顯示哪些區域的神經元處于活躍狀態。目前，fNIRS已應用于臨床，美國神經技術公司 Kernel 開發了這一技術的可穿戴耳機版本。2021年，美國食品藥品監督管理局（FDA）批準了該設備用于測試大腦對迷幻藥物的反應。

fNIRS可提供比腦電圖更高的空間分辨率和更好的信噪比，更準確地確定大腦活動。利用fNIRS開發的耳機甚至可以測量受試者在自由移動狀態下的大腦活動。據此繪制出的大腦活動圖，可用于了解不同條件下的大腦神經狀況。但因含氧血流形成需要數秒時間，反應較慢，無法用于實時控制外部設備。

通過另一種被稱為“事件相關光學信號”（EROS）的技術，可以獲得更快速的響應。該技術使用紅外光測量大腦皮質組織的光學特性變化。當神經元活躍時，光子與神經組織的相互作用會發生變化，增加光學散射，延長光子穿過大腦的路徑并延遲抵達探測器的時間。

最近的研究結果表明，EROS技術與fNIRS技術相結合可以構成具有良好空間分辨率和時間分辨率的非侵入性腦機接口的基礎。

還有一種追蹤大腦神經活動的非侵入性方法是“功能性磁共振成像”（fMRI）技術，fMRI可檢測來自大腦血流的信號。fMRI標記神經活動區域的空間分辨率為1毫米，而非1厘米（空間分辨率的值越小，分辨率越高），秒級的時滯幾乎可實時繪制腦電活動圖，但對于大腦控制外部設備來說仍然還是太慢。

非侵入性“腦磁圖描記術”（MEG）能以更快的響應速度來跟蹤神經活動，提供1～2毫米的空間分辨率和毫秒級的響應時間，但仍然需要笨重的設備和較高的運營成本。一種新型探測器“光泵磁力計”（OPM），可通過測量室溫下大腦磁場的變化來改進MEG的不足之處。

2023年，英國諾丁漢的初創公司 Cerca Magnetics開發的OPM－MEG可穿戴腦掃描儀獲量子創新獎，它由50個樂高積木大小的單元組成，安裝在全頭頭盔上以覆蓋大腦。可穿戴 OPM－MEG腦機接口原型機能夠在對象移動時進行神經學診斷，憑借其較高的空間分辨率和時間分辨率來控制外部設備。

可反射高頻聲波的超聲波技術也是一種便攜式非侵入性技術，被廣泛應用于對人體結構（包括紅細胞）進行成像。在過去十年里開發的“功能性超聲”（fUS）技術，使用大腦血流多普勒測量法來識別活躍的神經元。fUS利用探頭產生的超聲波平面波收集數據，計算機對數據進行分析，快速生成大腦功能的高分辨率圖像。

非侵入式腦機接口的未來

著名神經科學家克里斯托夫·科赫曾表示，如果有一個安全的腦機接口將大腦與計算機連接起來，那么就可以將信息直接下載到大腦中。在科幻小說或科幻影片中出現的場景，也許在不久的未來會成為現實。

2021年，美國舊金山的初創公司MindPortal籌集 500萬美元，用于開發一款使用近紅外技術進行意念控制的虛擬現實游戲頭帶。另一種價格適中的應用是經顱直流電刺激技術（tDCS），通過施加毫安級的電流改善患者的認知能力。

隨著消費型神經技術的興起，神經倫理學家指出，如果沒有有效的監督和監管，那么腦機接口技術的發展可能會帶來包括隱私和精神控制等危害。在開發非侵入性腦機接口技術，大力推進大腦研究和醫學治療，幫助嚴重殘疾患者恢復獨立生活能力的同時，人們也應該意識到，在實驗室和醫院之外使用這些設備有可能遭遇道德困境。